一種船舶電纜絞車驅動系統的控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種船舶電纜絞車驅動系統的控制方法，屬于運輸技術領域。
【背景技術】
[0002] 大型港口碼頭是耗油大戶，船舶到港后采用燃油輔機發電機供電，給港口帶來嚴 重的空氣、水域、噪聲等污染，因此港口碼頭將是W電代油的重要應用領域。中國是世界上 最大的海運國，港口數量較多，港口碼頭的污染和能耗問題更加突出。港口智能用電技術是 指船舶在停泊碼頭期間接入碼頭的岸電電源，獲得其累組、通風、照明、通訊和其他設施所 需電力。當前的船舶岸電系統還存在系統線制匹配、相序檢測、交流岸電電壓穩定、電力傳 輸方式W及電纜管理等急需研究的問題，而電纜連接設備（即連接岸上連接點及船上受電 裝置間的電纜和設備)如何實現電纜的快速、柔性連接，也是主要的研究方向之一。
[0003] 為了實現電纜的快速、柔性連接，有必要設計一套結構簡單合理、效率高、適應能 力強、自動化程度高、使用維護簡單的電控電纜收放絞車。而電纜絞車的收放過程是一個時 變、非線性和負載干擾的過程。通過研究電纜絞車驅動系統的收放控制算法，有助于減少電 纜收放過程中電纜所受的沖擊力，實現電纜的快速、平穩收放。盡管傳統的PID控制算法具 有結構簡單、穩定性好、可靠性高等優點，并已在工業控制領域得到了廣泛的應用，但運種 控制器過分依賴控制對象的精確數學模型，其適應性較差，對于船舶電纜絞車參數變化范 圍大且包含非線性環節的時變系統，PID調節器往往難W達到控制要求。因此，研究船舶電 纜絞車的收放過程，尋求諸如模糊等先進的智能控制算法，對提高船舶電纜絞車的動態和 穩態性能具有重要意義。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于針對現有技術之弊端，提供一種船舶電纜絞車驅動系統的控制 方法，W提高船舶電纜絞車的動態和穩態性能。
[000引本發明所述問題是W下述技術方案解決的： 一種船舶電纜絞車驅動系統的控制方法，所述方法在利用PI控制器對船舶電纜絞車進 行控制的同時，利用變論域模糊控制器，采用模糊推理方法對PI控制器的控制參數進行在 線調整，實現電纜絞車驅動系統轉速和電流的雙閉環自適應控制，所述變論域模糊控制器 W轉矩誤差E和轉矩誤差變化率Ec作為輸入，WPI控制器的兩個參數P、I的修正參數AKp、A Ki作為輸出。
[0006]上述船舶電纜絞車驅動系統的控制方法，所述方法具體為W下步驟： a.驅動系統采集船舶電纜絞車卷盤轉速CO和電纜張力F的變化值，根據下式計算電纜 張力產生的轉矩Tf:
式中：Tem為驅動電機的電磁轉矩;To為驅動電機及傳動機構的空載轉矩;t為時間，在本 次采樣時間將電纜張力產生的轉矩Tf作為變論域模糊PI控制器的輸入值y化）； b.如果變論域模糊PI控制器的輸入值y化)超過了允許的誤差范圍，變論域模糊PI控制 器根據y化)的變化值進行轉矩誤差E和轉矩誤差變化率Ec的量化，其量化的論域為[-6，6]; C.將量化后的轉矩誤差E和轉矩誤差變化率Ec進行模糊化處理，再根據E化)及Ec化)的 模糊值調整論域的伸縮因子O(X)和e(y)，而a(x)和e(y)計算方法為：
式中：本發明中對于輸入論域的量化因子選用丫 =0.7，pi為常數向量，i = l，…，n為不 同采用時間，e(o)為初始值設為e(o)=i，Ki為比例常數。
[0007] d.變論域模糊PI控制器根據伸縮因子進行相應的模糊推理，得到系統的模糊輸 出量，再對模糊輸出量進行解模糊處理，得到電纜絞車驅動系統的實際電流輸出值； e.電纜絞車驅動系統根據變論域模糊PI控制器發出的電流指令驅動電機旋轉，執行 電纜張力值的校正動作，使電纜收放過程保持恒定的張力。
[0008] 上述船舶電纜絞車驅動系統的控制方法，所述變論域模糊控制器的輸入E、Ec和輸 出AKp、AKi的模糊子集取為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集中的元素 NB、醒、NS、ZO、PS、PM 和PB依次代表負大、負中、負小、零、正小、正中和正大，則輸出變量Kp的模糊控制規則如下： ^E^NB, EC^^^lJ ^NB ^ NM ^ NS ^ ZO ^ PS ^ PM ^ PBBt, AKp ^lJ ^PB ^ PB ^ PM ^ PM ^ PS ^ ZO^PZO ； 當 E 為NM，EC分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB時，AKp分別為PB、PB、PM、PS、PS、ZO和NS; 當 E 為NS，EC分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB時，AKp分別為PM、PM、PM、PS、ZO、NS和NS; 當 E為Z0，EC 分別為 NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB時，AKp分別為PM、PM、PS、ZO、NS、NM和NM; 當 E 為PS，EC分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB時，AKp分別為PS、PS、ZO、NS、NS、NM和NM; 當 E 為PM，EC分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB時，AKp分別為PS、ZO、NS、NM、NM、NM和NB; 當 E 為PB，EC分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB時，AKp分別為ZO、ZO、NM、NM、NM、NB和NB; 輸出變量Ki的模糊控制規則如下： 當 E 為NB，EC分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB時，AKi分別為NB、NB、NM、NM、NS、ZO和ZO; 當 E 為NM，EC分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB時，AKi分別為NB、NB、NM、NS、NS、ZO和ZO; 當 E 為NS，EC分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB時，AKi分別為NB、NM、NS、NS、ZO、PS和PS; 當 E為Z0，EC 分別為 NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB時，AKi分別為NM、NM、NS、ZO、PS、PM和PM; 當 E 為PS，EC分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB時，AKi分別為NM、NS、ZO、PS、PS、NM和PB; 當 E 為PM，EC分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB時，AKi分別為ZO、ZO、PS、PS、PM、P巧PPB; 當 E 為PB，EC分別為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB時，AKi分別為ZO、ZO、PS、PM、PM、PB和PB。
[0009] W上字母NB、醒、NS、ZO、PS、PM、I?分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中和正 大。
[0010] 本發明實現了船舶電纜絞車驅動系統轉速和電流的雙閉環自適應控制，有效地提 高了船舶電纜絞車的控制精度，從而提高了驅動系統的動態和穩態性能，實現了船舶電纜 絞車的恒張力控制，延長了船舶電纜絞車的運行壽命。
【附圖說明】
[0011] 下面結合附圖對本發明作進一步詳述。
[0012] 圖1為本發明船舶電纜絞車驅動系統的傳動結構圖； 圖2為本發明船舶電纜絞車驅動電機定子電流矢量圖； 圖3為本發明變論域模糊PI電纜絞車驅動系統控制器框圖； 圖4為本發明船舶電纜絞車驅動系統的變論域模糊控制流程圖。
[001引文中各符號為:Tf為電纜張力產生的轉矩;Tem為驅動電機的電磁轉矩;To為驅動電 機及傳動機構的空載轉矩;Td為驅動電機的動態轉矩;J為電纜卷和儲纜筒的總轉動慣量;Jp 為電纜卷的轉動慣量;Jm為儲纜筒的轉動慣量；《為電纜絞車卷盤轉速；為電纜絞車驅動 電機的轉速;F為電纜張力;D為電纜卷直徑;R為電纜卷徑;r為儲纜筒半徑;b為儲纜筒長度； P為電纜卷的平均密度;d為儲纜筒直徑;V為電纜線速度;E為轉矩誤差;Ec為轉矩誤差變化 率;AKp、AKi分別為PI控制器的兩個參數P、I的修正;叫:和B為語言變量;卻詩與省賄分 別為論域輸入變量和輸出變量的伸縮因子；r為一個常數，數值為0.7。
【具體實施方式】
[0014] 如圖1所示為船舶電纜絞車驅動系統的傳動結構圖，可見船舶電纜絞車在收放電 纜的過程中，電纜卷徑和轉動慣量不斷變化，為非線性時變參數。為了保證電纜在收放電纜 過程中能平穩工作，必須要求電纜的張力和線速度保持恒定。在電纜絞車收放的過程中通 過張力傳感器檢測到電纜所受的張力，并反饋至設計的船舶電纜絞車驅動系統的控制器 中，通過改變系統驅動電機的轉矩，自動調節電纜卷筒的正反轉，實現電纜的收放操作，并 在收放過程中使電纜所受的張力與設定值保持一致。
[0015] 當船舶電纜絞車正常工作時，控制電纜卷盤的驅動電機運動方程為：
式中：Tf為電纜張力產生的轉矩;Tem為驅動電機的電磁轉矩;To為驅動電機及傳動機構 的空載轉矩;Td為驅動電機的動態轉矩。
[0016] 忽略空載轉矩To，驅動電機穩速狀態下，Td=O，上式變為：
式中:F為電纜張力;D為電纜卷直徑。
[0017] 上述對船舶電纜絞車張力的分析只是考慮了穩速運行的情況，在實際收放電纜的 過程中常有加減速度的需要，此時會因調節不及時而使電纜拉力發生較大的變化，因此有 必要在加減速過程中對驅動電機動態轉矩的進行補償。驅動電機運動方程右邊的第=部 分，即動態轉矩為：
式中：Jp為電纜卷的轉動慣量;Jm為電纜卷筒的轉動慣量。
[0018] 電纜絞車卷筒的轉動慣量Jm不變，而電纜卷的轉動慣量Jp隨著電纜直徑D的減小而 變小，因此，必須對它進行計算。
[0019] 式中:R為電纜卷徑;r為電纜卷筒的半徑;b為儲纜筒長度;P為電纜卷的平均密度。
[0020] 令 D=2R，d=2r，則： 又因為
式中：V為電纜線速度，聯立上式得：
運樣，只要檢測到電纜絞車的電纜卷徑D和速度變化率dv/dt等動態變量，就可W將船 舶電纜絞車加減速過程中驅動電機需要補償的動態轉矩計算出來。根據上面的分析可知， 在電纜絞車收放電纜的過程中，為了保持加減速過程中電纜所受的張力恒定不變，電纜絞 車在加減速過程中，電磁轉矩通過附加動態轉矩來進行補償。可見，對船舶電纜絞車的恒張 力控制其實就是對驅動電機電流的控制，即對驅動電機的轉矩進行控制。
[0021] 圖2為船舶電纜絞車驅動電機的定子電流矢量圖，可見平面下電纜絞車驅動電機 的電流極限圓和電壓極限圓的軌跡，其中電壓極限圓是隨著速度的增加而減小。因此驅動 電機的電樞電流矢量i應限定在極限圓W內。而船舶電纜絞車的卷盤要求一定的轉速和相 同的張力卷取電纜，隨著電纜卷徑的逐漸變大，卷盤的轉速也應隨之變低，而轉矩則必須相 應增大。因此為了達到準確轉矩控制，系統控制器根據電流、轉矩、轉速反饋計算給出反饋 電流值。
[0022] 從圖中可見當電纜絞車驅動電機的轉速升高時，電流矢量將會沿電流極限圓從驅 動電機最大轉矩軌跡和電流極限圓的交點B移至和最大輸出功率軌跡的交點C。此